Микробиом кишечника что это

Физические упражнения – новый подход к коррекции микробиома

С появлением возможности изучения микробиома кишечника, влияние на его таксономический состав и метаболизм с помощью упражнений служит предметом широкого научного интереса

Микробиом человека – важная составляющая здоровья

С развитием в конце ХХ века методов, позволяющих оценить состав и функции микроорганизмов, а именно секвенирования генома, появилась возможность изучить разнообразие микробных сообществ. Для качественной и количественной оценки бактериального разнообразия в образцах широко применяется секвенирование 16S рибосомальной РНК микроорганизмов, все более доступными становятся методы метагеномного анализа, позволяющие провести оценку метаболизма и функций того или иного вида бактерий. (3)

Наибольшее количество бактерий находится в толстой кишке, среди которых в норме преобладают два типа, Bacteroidetes и Firmicutes (∼90%). Тип Firmicutes состоит из более чем 250 родов бактерий, среди которых Lactobacillus и Clostridium, в то время как тип Bacteroidetes включает 20 родов, с преобладанием Bacteroides. Такие типы как Actinobacteria, Proteobacteria и Verrucomicrobia обнаруживаются в составе нормальной микрофлоры, но в гораздо меньших количествах. (1,4) Кроме того, среди здоровой микробиоты толстой кишки могут встречаться метанопродуцирующие археи, которые, в отличии от других живых организмов, не содержат пептидогликан в клеточной стенке и имеют особые рибосомы и рибосомные РНК, а также эукариоты (дрожжи) и вирусы.

Понятие «нормы» в отношении кишечного микробиома относительно, его состав может изменять множество различных факторов, воздействующих на кишечник и организм человека в целом. В настоящее время важным для поддержания равновесия между непатогенными и условно-патогенными бактериями считается отношение численности Bacteroidetes к Firmicutes (так называемый градиент Firmicutes/Bacteroidetes). (5)

Заселение кишечника микроорганизмами начинается с рождения, и состав микробиома определяется в значительной степени способом родоразрешения. В последующем микрофлора кишечника изменяется в зависимости от пищевых привычек, адаптируясь к новым продуктам в рационе человека. (6, 7) Вакцинация, различные заболевания, прием лекарственных препаратов, курение и другие факторы также влияют на композицию кишечного микробиома и его метаболизм. (8, 9) В то же время имеет место двустороннее взаимодействие между микро- и макроорганизмом. Очевидной демонстрацией этому служит важная роль кишечной микробиоты в формировании гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковой оси, которая участвует в регуляции иммуномодуляции, обмена липидов, энергетического баланса и электрофизиологической активности энтеральной нервной системы. (11)

Влияние физических упражнений на изменение кишечного микробиома

Регулярные физические упражнения рекомендованы Всемирной организацией здравоохранения для укрепления здоровья и снижения риска развития многих заболеваний, в том числе психических, а также для увеличения продолжительности жизни. (12) Эти рекомендации основаны на данных множества исследований, демонстрирующих разнообразие патогенетических путей, посредством которых улучшается здоровье на фоне физической нагрузки. (13) С появлением возможности изучения микробиома кишечника, влияние на его таксономический состав и метаболизм с помощью упражнений служит предметом научного интереса.

Изучение микробного состава животных при физических упражнениях демонстрирует противоречивые результаты. Например, в некоторых исследованиях обнаружено увеличение градиента Firmicutes/Bacteroidetes, в то время как другие свидетельствуют о его снижении или отсутствии изменений. (Таблица 1)

Вероятно, это связано с отсутствием стандартизации вида физических упражнений, породы и возраста животных, их диеты.

Таблица 1. Влияние физических упражнений на кишечный микробиом животных

Источник

Микробиом кишечника как клинический инструмент лечения заболеваний ЖКТ

Абстракт

Таким образом, за очень короткий промежуток времени исследования микробиома сместились от лаборатории к клинической практике, где их потенциал в облегчении диагностики, определении прогноза и лечебной тактики вызвал интерес среди исследователей и биомедицинской индустрии. В основе веры в клиническую применимость микробиома лежат три предположения: во-первых, мы знаем, каков он в норме; во-вторых, мы можем точно и воспроизводимо определить патологию; и, в-третьих, возможно, самое важное: мы можем установить биологически достоверные и клинически значимые взаимоотношения между определенным микробным профилем и рассматриваемым заболеванием.

Для объяснения своей позиции, мы будем использовать следующие определения. Понятие “микробиота” относится к совокупности микроорганизмов (а не только бактерий), присутствующих в определенной среде. Микробиом, напротив, включает в себя полный набор микроорганизмов (бактерий, вирусов, грибков и простейших), их генов и геномов в данной локации (например, в кишечнике). Стоит признать, что часто в литературе эти термины используются как взаимозаменяемые, обозначая микробные сообщества.

Что является нормой?

Роль микробиоты в желудочно-кишечных заболеваниях

Понимание контекста

Интерпретация исследований

Перед клиническим исследователем стоят и другие проблемы. О влияниях взаимодействий между микробиотой и компонентами питания или продуктами метаболизма, о которых уже упоминалось ранее, следует помнить как в области трансляционных, так и клинических исследований. К примеру, изучая ВЗК, следует учитывать как каждая из многих диет, используемых пациентами, может влиять на микробиом: от диеты с высоким содержанием пищевых волокон до безглютеновой или диеты с низким содержанием ферментируемых олигосахаридов, дисахаридов, моносахаридов и полиолов.

Долговременные исследования со сбором образцов кишечной микробиоты в нескольких временных интервалах, отслеживающие активность заболевания или интенсивность симптомов, могут помочь в определении причинно-следственной связи (редкость в исследованиях на людях). В конечном счете, роль микробиома в данном заболевании должно отразить лечение, направленное на его модификацию. К настоящему времени этому критерию отвечает только инфекция, вызванная Clostridium difficile.

Источник: журнал Nature

Источник

Роль микробиоты кишечника в поддержании здоровья

Микрофлора представляет собой метаболически активную и сложную экосистему, состоящую из сотен тысяч микроорганизмов — бактерий, вирусов и некоторых эукариот. Подобно невидимому чулку, биоплёнка покрывает все слизистые нашего организма и кожу. Микробиота объединяет более чем 10 14 (сто биллионов) клеток микроорганизмов, что в 10 раз превышает число клеток самого организма. Микробиота находится в содружественных отношениях с организмом человека: организм хозяина предоставляет среду обитания и питательные вещества, микроорганизмы защищают организм от патогенных возбудителей, способствуют поддержанию нормальных иммунологических, метаболических и моторных функций. Выделяют несколько важных биотопов, которые отличаются плотностью распределения микроорганизмов и составом: кожные покровы, слизистые оболочки ЖКТ, дыхательных путей, урогенитального тракта и проч. Самой многочисленной считается микробиота кишечника, на её долю приходится 60% микроорганизмов, колонизирующих организм человека.

Микрофлора кишечника состоит из группы микроорганизмов, представленных более чем 1000 видами, 99% из которых приходится на 30–40 главных видов. В научных кругах кишечную микрофлору называют также дополнительным органом.

Состояние микробиоты кишечника определяет качество и продолжительность жизни. У каждого человека есть свой индивидуальный характер распределения и состава микробиоты. Частично он определяется генотипом хозяина и первоначальной колонизацией, которая происходит сразу после рождения. Различные факторы, такие как тип родов, кормление грудью, образ жизни, диетарные предпочтения, гигиенические условия и условия окружающей среды, использование антибиотиков и вакцинация, могут определять окончательные изменения в структуре микробиоты.

При изменении состава или функции микробиоты развивается дисбиоз. Дисбиотические состояния изменяют моторику кишечника и его проницаемость, а также искажают иммунный ответ, тем самым создавая предпосылки для развития провоспалительного состояния. Такие изменения, особенно в отношении иммунных и метаболических функций хозяина, могут вызывать или способствовать возникновению ряда заболеваний, например, сахарного диабета, ожирения, неврологических и аутоиммунных заболеваний. Недавние исследования показали, что микробиота участвует в этиопатогенезе многих гастроэнтерологических заболеваний, таких как синдром раздраженного кишечника, воспалительные заболевания кишечника, целиакия, неалкогольный стеатогепатит и новообразования желудочно-кишечного тракта.

Кишечная микрофлора и иммунитет

Кишечная микробиота имеет решающее значение для развития лимфоидных тканей, а также для поддержания и регуляции кишечного иммунитета.

В кишечнике происходит сенсибилизация иммуноцитов, которые затем заселяют другие слизистые оболочки и циркулируют между различными органами. Этот механизм обеспечивает формирование клонов лимфоцитов и образование специфических антител в участках слизистой оболочки, отдалённых от очага первичной сенсибилизации.

Иммунокомпетентные ткани пищеварительного тракта объединены в лимфоидную ткань. Лимфоидная ткань представлена лимфоцитами, расположенными между эпителиальными клетками кишечника, лимфоцитами собственного слоя, пейеровыми бляшками (скопления лимфоидной ткани в тонкой кишке) и лимфоидными фолликулами.

Попавшие в просвет кишечника или на слизистые оболочки антигены распознаются иммуноглобулинами памяти (IgG), после чего информация передаётся в иммунокомпетентные клетки слизистой оболочки, где из сенсибилизированных лимфоцитов клонируются плазматические клетки, ответственные за синтез IgА и IgМ. В результате защитной деятельности этих иммуноглобулинов включаются механизмы иммунореактивности или иммунотолерантности. Благодаря индукции иммунологической толерантности в кишечнике не возникают нежелательные воспалительные реакции против кишечной микробиоты и пищевых белков.

Кишечная микробиота и обмен веществ

Кишечная микробиота вносит непосредственный вклад в метаболизм питательных веществ и витаминов, необходимых для жизнедеятельности организма хозяина, при этом извлекая энергию из пищи. Эта энергия образуется путём реакции сбраживания не усваиваемых углеводов (клетчатки), в результате реакции образуются короткоцепочечные жирные кислоты, водород и углекислый газ.

Короткоцепочные жирные кислоты обеспечивают работу колоноцитов.

Короткоцепочные жирные кислоты считаются тонкими регуляторами иммунитета, энергетического обмена и метаболизма жировой ткани. Например, короткоцепочные жирные кислоты участвуют во взаимодействии бактерий и иммунитета, подавляя сигналы, которые могут привести к развитию аутоиммунных реакций. Пропионовая и масляная жирная кислота положительно влияют на метаболизм глюкозы. Наконец, короткоцепочные жирные кислоты обеспечивают подкисление просвета толстой кишки, предотвращая рост бактериальных патогенов.

Кишечная микробиота принимает непосредственное участие в метаболизме желчных кислот, источником которых является холестерин. В печени из холестерина синтезируются первичные желчные кислоты — холевая и хенодезоксихолевая, которые поступают в кишечник. Бактероиды и лактобациллы далее превращают первичные желчные кислоты во вторичные желчные кислоты — дезоксихолевую и литохолевую. Изменение нормального баланса кишечных бактерий приводит к неадекватному синтезу желчных кислот.

Микробиота и нервная система

Ещё более удивительные данные о взаимосвязи кишечной микробиоты и нервной системы. Микробиота кишечника тесно общается с центральной нервной системой. Микробиота кишечника производит такие нейроактивные молекулы, как ацетилхолин и серотонин, дофамин, которые являются главными медиаторами сигналов в ЦНС, а также регулируют работу мозга через активацию иммунных сигнальных путей. Дополнительно, блуждающий нерв активно участвует в двунаправленных взаимодействиях между кишечной микробиотой и мозгом для поддержания гомеостаза как в головном мозге, так и в кишечнике.

Недавние исследования показали, что микробиом влияет на свойства и функцию микроглии. Микроглия защищает мозг от различных патологических состояний через активацию иммунного ответа, фагоцитоза и продукцию цитокинов. Кроме того, микроглия ответственна за формирование нейронных цепей, которые участвуют в развитии мозга. Различные дисбиотические состояния, в том числе вызванные приёмом антибиотиков приводят к угнетению созревания клеток микроглии. Незрелая микроглия приводит к нарушению иммунной активации.

Астроциты — самая многочисленная клеточная популяция в ЦНС, и они почти в пять раз превосходят численность нейронов. Подобно микроглии, астроциты выполняют несколько важных функций по поддержанию целостности ЦНС, включая контроль кровообращения в головном мозге, поддержание стабильности гематоэнцефалического барьера. Астроциты регулируют баланса ионов и оказывают влияние на передачу сигналов между нейронами. Чрезмерная активация астроцитов является пусковым механизмом в развитии дисфункции ЦНС и неврологических расстройств. Чрезмерная активация происходит под действием метаболитов микрофлоры.

Целостность гематоэнцефалического барьера регулируется также метаболитами микробиоты, которые опосредуют передачу большего количества микробных сигналов между осью кишечник-мозг.

Дисбиоз микробных видов в кишечнике может вызывать атипичные иммунные сигналы, дисбаланс в гомеостазе организме-хозяина и привести к прогрессированию заболеваний ЦНС. Например, рассматривается роль микробиоты в патогенезе рассеянного склероза-заболевания, характеризующимся демиелинизацией аксонов нервных клеток. При болезни Паркинсона, которая проявляется моторными симптомами, включая тремор, мышечную ригидность, медлительность движений и аномалию походки наблюдается накопление α-синуклеина в нейронах. Избыточное отложение α-синуклеина в нервной системе инициируется кишечной микрофлорой до того, как возникают симптомы поражения ЦНС, что связано с некоторыми специфическими пищеварительными симптомами (запоры и нарушение двигательной функции толстой кишки). Бактериальный состав кишечника влияет на болезнь Паркинсона: тяжесть симптомов, в том числе постуральная нестабильность и нарушение походки, связана с изменениями численности некоторых видов Enterobacteriaceae, уменьшение количества Lachnospiraceae приводит к более серьёзному ухудшению моторных и немоторных симптомов у пациентов с болезнью Паркинсона. Болезнь Альцгеймера — ещё одно нейродегенеративное заболевание, которое приводит к серьёзным нарушениям функции ЦНС — обучению, памяти и поведенческим реакциям. Болезнь Альцгеймера характеризуется отложением пептида амилоид-β (Aβ) снаружи и вокруг нейронов, вместе с накоплением белка тау внутри корковых нейронов. Перегрузка амилоидом и агрегация тау нарушают синаптическую передачу. Изменение состава и разнообразия микробиоты вносит определённый вклад в патогенез болезни Альцгеймера. Активированная микроглия способствует развитию заболевания, увеличивая отложение амилоида.

Ожирение и состав микробиоты

При ожирении и сахарном диабете наблюдаются изменения в составе микробиоты кишечника, в частности, снижение популяционного уровня сахаролитических бактероидов, влияющих на интенсивность метаболических процессов, а также увеличение доли бактерий класса Firmicutes (Esherichia coli, Clostridium coccoides, Clostridium leptum). Снижение содержания сахаролитических бактерий уменьшает выработку коротко-цепочных жирных кислот, обеспечивающих трофику и деление эпителия кишечника, его созревание, оказывающих антимикробное действие и регуляторное действие в отношении ионов и липидов.

Дополнительно при ожирении отмечается хроническое системное воспаление, сопровождающееся секрецией провоспалительных цитокинов (интерлейкины — ИЛ, С-реактивный белок, α-фактор некроза опухоли — α-ФНО и др.) в висцеральной жировой ткани. Нарушения в составе кишечной микрофлоры приводят к усилению эффекта системного воспаления за счёт увеличения концентрации бактериальных липополисахаридов, стимулирующих выработку провоспалительных компонентов.

Диагностика состояния кишечной микробиоты

Существует два метода определения микробиоты — стандартный анализ на дисбактериоз и оценка состава микробиоты методом масс-спектрометрии по крови (ГХ-МС). В основе методики масс-спектрометрии лежит определение присутствия микроорганизмов по их клеточным компонентам (высшие жирные кислоты, альдегиды, спирты и стерины). Методика разработана профессором Осиповым Г.А. Метод ГХ-МС позволяет одновременно измерять более сотни микробных маркёров непосредственно в образце, позволяющих сделать заключение о некультивируемых и труднокультивируемых патологических возбудителях. Метод универсален также в отношении грибов и вирусов.

Источник

Микробиота человека

МИКРОБИОТА

Современные представления о микробиоте человека

1. Введение

С момента первых исследований бактерий кишечника, описанных более 300 лет назад в работах Антони ван Левенгука, а впоследствии Л. Пастера, Р. Коха, И.И. Мечникова, представления о роли микроорга­низмов, составляющих внутреннюю среду организма человека, за по­следние годы во многом изменились. Прежде всего, прогресс в понима­нии микробного сообщества человека стал возможным благодаря иссле­дованиям в области состава генома. В работах Нормана Пэйса была вы­двинута идея выделения ДНК из океанической среды, в 1991 г. он с кол­легами опубликовал работу о выделении и идентификации последова­тельностей гена 16S рРНК из образца воды Тихого океана [1, 2]. Следу­ющей исторической вехой в развитии метагеномики стала 2-летняя Глобальная океаническая экспедиция по сбору метагеномных образцов (GOS) в 2003 г., учрежденная Крэйгом Вентером. Состав собранных об­разцов был определен по результатам секвенирования генов 16S рРНК, и в одном только Саргассовом море было найдено свыше 2000 новых ви­дов бактерий [3].

По мере изучения генов в условиях современного окружения челове­ка, формирующегося под влиянием научно-технического прогресса, сте­реотипов в питании, гигиене, общекультурных ценностей, накапливается все больше данных, многие из которых имеют высокодостоверные дока­зательства [4, 5], что биологическая среда человека изменчива и представ­лена различными типами микроорганизмов, заселяющих все экологиче­ские ниши организма. Микробиом, сформировавшийся в процессе эво­люции, имеет огромное значение как для контроля оптимального уровня метаболических процессов в организме, так и для создания высокой ко­лонизационной резистентности к условно-патогенным микроорганиз­мам. Микробные элементы человека становятся барьером на пути экзо­генной инфекции — участвуют в обеспечении реакций обезвреживания токсинов, ограничивают патогенную активность бактерий и их колониза­цию в различных органах и системах [6].

2. Микробиота как отдельный орган в организме человека

(эволюция представлений, терминология)

Бактерии, обитающие в одной экологической нише, образуют слож­ную систему межвидового обобщенного метаболизма, наиболее эффек­тивно используют имеющиеся ресурсы питательных веществ, кислород, свет. Кожа, полость рта, влагалище и желудочно-кишечный тракт обеспе­чивают среду жизнедеятельности для колоссального числа микробных единиц. Даже легкие и плацента, ранее считавшиеся стерильными, пред­полагают определенную колонизационную активность, что было показа­но в результате изучения микросред у здорового человека [1].

Понятие « микробиом » было впервые внедрено в 2001 г. для обозначения коллективных геномов микробных популяций человека. Микробиом чело­века состоит не только из бактерий, но также из археев и эукариот, таких как простейшие, грибов и нематод, вирусов, коллективно называемых virome [7]. Изучают микробиом на метагеномном уровне с использованием методик, основанных на секвенировании не только последовательности генов 16S рР­НК, но и всех генов и некодирующих участков (так называемое шотган-секве­нирование, англ.: shotgun sequencing). Вследствие этого стало возможным по­лучать информацию о таксономическом составе микробиоты различных ло­кусов организма, ее функциональном потенциале — через определение отно­сительной представленности генов, кодирующих те или иные белки, в част­ности гены ферментов метаболических путей. Количество работ по метаге­номике постоянно растет, появляетс я все больше данных о значении микро­биоты различных локусов организма в норме и патологии [8].

Широкое распространение генные исследования микроорганизмов получили только в первом 10-летии XXI века благодаря появлению высо­копроизводительных приборов для секвенирования. Первая работа по метагеному кишечника человека была опубликована американскими уче­ными в 2006 г., в ней был проведен функциональный анализ двух наборов метагеномных прочтений, полученных из образцов кала. Вслед за ней вы­шла статья группы ученых из Японии с описанием уже 13 новых образцов. В обоих исследованиях применялось полногеномное шотган-секвениро­вание с последующей de novo сборкой контигов и предсказанием откры­тых рамок считывания, а таксономическая принадлежность определялась путем поиска ближайшего сходства этих контигов с базой геномных последовательностей NCBI, в частности посредством построения генных карт и последовательностей [10].

Изучение микробиоты различных сообществ имеет фундаментальное значение. Исследования общих и частных взаимосвязей внутри микро­биоты в различных организмах и средах, значение и вклад различных ти­пов микроорганизмов в поддержание гомеостаза, механизмы ответа на раздражители внешней среды необходимы для оптимизации исследова­ний в области экологии и молекулярной биологии [11].

Медицинские и клинические аспекты изучения микробиоты затраги­вают, прежде всего, уточнение взаимосвязи вариативности микроорга­низмов с риском развития заболеваний — сердечно-сосудистых, аллерги­ческих, онкологических и т.д. Предметом наибольшего числа работ явля­ется микробиота кишечника человека как наиболее многочисленная и разнообразная по сравнению с другими локусами организма [12].

Хотя изучение микробиоты человека стало возможным только за по­следние 20 лет благодаря развитию геномных исследований, биоинфор­матики, термин «микробиота» был использован еще в середине 40-х годов прошлого века при описании микробной контаминации бактериями по­лости рта, а «микробиомом» обозначили коллекцию микробных генов в конкретной экосистеме [12, 13].

Было установлено, что связанная с человеком микробиота состоит из не менее чем 40 000 бактериальных штаммов в 1800 родах, которые содержат до 10 млн отличающихся от человека генов [10]. Современное описание микро­биоты как генетического сообщества микроорганизмов человека принадле­жит нобелевскому лауреату Joshua Lederberg (1925—2008) и рассматривается как единый организм с индивидуальными генетически признаками. Микро­биота стала предметом интенсивного изучения в области протеомики и мета­боломики, близких направлений современной биомедицины, связанных с расшифровкой нарушений синтеза и структуры белков, липидов, активно­сти ферментов. Это создает перспективы для индивидуального подбора ле­карственной терапии и раннего прогнозирования развития заболеваний [14].

Сейчас идентифицировано более 5000 видов микроорганизмов, из них 90% не культивируемы в лабораторных условиях [http://www.ensembl.org]. С этих позиций человек вместе с живущими в его кишечнике генетически совместимыми микроорганизмами представляет единый «суперорганизм» с организованной работой ферментов, кодируемых не только геномом соб­ственно человека, но и геномами всех симбиотических микроорганизмов. Суммарная масса бактерий, ассоциированных с желудочно-кишечным трактом (ЖКТ) здорового человека, достигает 2,5—3 кг [15] и сравнима с массой головного мозга у взрослого человека (около 1,5 кг). При этом ки­шечник является первым органом иммунной системы организма, он содер­жит 80% всех иммуноглобулинов и 10 6 лимфоцитов в 1 г лимфоидной ткани (M. Sun, 2015). В этой экосистеме существуют разнообразные механизмы и типы взаимоотношений как между бактериями, так и между бактериями и клетками хозяина (комменсализм, мутуализм, паразитизм).

В состав микробиоты кишечника входит более 3 млн генов. Треть ми­кробиоты кишечника человека является общей для большинства людей, в то время как 2/3 индивидуальны, создавая своеобразное «удостоверение личности» [16]. Разнообразие микробиоты кишечника определяет гене­тическую вариацию среди индивидуумов, повышая толерантность к нега­тивным факторам окружающей среды [17]. Считают, что недостаточная вариативность микробиоты кишечника у матери неблагоприятно сказы­вается на риске заболеваний у новорожденных детей [18].

В то же время появились данные о том, что вариации генома макро­организма могут влиять на видовой состав кластеров бактерий. Данная закономерность была выявлена для 15 областей тела человека включая поверхностные и глубокие слои кожи, ротовую полость, кишечник, лег­кие и влагалище [19]. Таким образом наблюдается взаимное влияние ге­нетического материала макроорганизма на микробиоту, и наоборот. Микробиота человека включает облигатные возбудители, постоянно присутствующие в организме человека и выполняющие важную роль в метаболизме хозяина и защите его от возбудителей инфекционных забо­леваний. Вторая составляющая нормальной микрофлоры — транзитор­ная микрофлора (аллохтонная, случайная). Представители факульта­тивной части микрофлоры достаточно часто встречаются у здоровых людей, но их качественный и количественный состав непостоянен и время от времени меняется. Количество характерных видов относитель­но невелико, зато численно они всегда представлены наиболее обильно.

Функции нормальной микрофлоры кишечника:

Важнейшей функцией нормальной микрофлоры является ее участие в создании колонизационной резистентности (сопротивляемость, устойчи­вость к заселению посторонней микрофлорой). Механизм создания коло­низационной резистентности комплексный. Колонизационная резистент­ность обеспечивается способностью некоторых представителей нормаль­ной микрофлоры адгезироваться на эпителии слизистой оболочки кишеч­ника, образуя на ней пристеночный слой и тем самым препятствуя прикре­плению патогенных и условно-патогенных возбудителей инфекционных заболеваний. Другой механизм создания колонизационной резистентно­сти связан с синтезом микроорганизмами ряда веществ, подавляющих рост и размножение патогенов, прежде всего органических кислот, перекиси водорода и других биологически активных субстанций, а также с конкурен­цией с патогенными микроорганизмами за источники питания.

Состав микрофлоры и размножение ее представителей контролируются прежде всего макроорганизмом (колонизационная резистентность, связанная с организмом хозяина) с помощью следующих факторов и механизмов [26]:

3. Деятельность международных организаций и научных объединений по изучению микробиоты человека

(основные проекты в разных странах мира, базы данных)

Значительный прогресс в области изучения микробиоты и биологии стал возможным благодаря внедрению метода секвирования генов с ис­пользованием консервативной 16S рРНК. Эти исследования раскрыли перспективы для обнаружения некультивируемых бактерий, и уже сегод­ня значительно продвинули понимание кишечного микробиома (бакте­рии и их геном. Фундаментальные исследования были инициированы в рамках создания двух крупнейших консорциумов по изучению микро­биоты человека: MetaHIT (Metagenome of Human Intestinal Tract) в Европе и HMP (Human Microbiome Project) в США. В 2008 г. Национальный ин­ститут здравоохранения США начал финансирование проекта «Микро­биом человека» (Human Microbiome Project — НМР http://hmpdacc.org/).

Целями проекта стали:

Параллельно инициирована программа MetaHIT, продолжающаяся до настоящего времени, целью которой является «создать взаимодействия между генами микробиоты кишечника человека у здоровых и больных» (http://www.metahit.eu/) [7]. Ученые, участвующие в рамках проекта MetaHIT совместно с BGI (Beijing Genomics Institute, Китай), установили каталог из 3,3 млн преобладающих бактериальных генов в метагеноме ки­шечника человека [15].

В 2007 г. проект «Микробиом человека» получил статус приоритетного пути к открытиям в науке, активно поддерживается и сегодня, продолжает­ся до настоящего времени. Изучение человеческого микробиома также проводится на международном уровне под эгидой Международного кон­сорциума микробиомов человека в других странах. Канадские институты исследований здоровья через Институт инфекционных заболеваний и им­мунитета возглавляют «Канадскую инициативу по анализу и характеристи­кам микробов», которые колонизируют организм человека и потенциально влияют на изменение микробиоты при хронических заболеваниях.

В системе проекта «Микробиом человека» первоначально участвова­ли около 200 ученых из 80 мультидисциплинарных исследовательских ин­ститутов. Общая стоимость исследований составила 173 млн долларов. Изучены образцы тканей из 15 мест на теле 129 мужчин и 18 мест у 113 женщин. Все добровольцы — здоровые люди в возрасте от 18 до 40 лет — предоставили по три образца слизистой с внутренней стороны щек, носа, кожи за ухом и локтевого сгиба, а также фекальные пробы. Результаты опубликованы в ведущих по рейтингу журналах — Nature и др.

По результатам генетического анализа биоматериала было установле­но, что в человеческом организме обитает свыше 10 тыс. видов различных микробов. Так, если в геноме человека содержится 22 тыс. генов, кодиру­ющих белки для регуляции метаболизма, микробиом добавляет еще око­ло 8 млн уникальных бактериальных генов. В это же время исследователя­ми из США был опубликован список секвенированных геномов бактерий и архей, найденных в микробиоте человека. Эти две работы стали отправ­ными пунктами для дальнейших исследований, в частности высокоза­тратных и трудоемких методов шотган-секвенирования для качественной и количественной характеристики метагенома.

На веб-сайте проекта «Микробиом человека» за период с июня 2009 г. по август 2012 г. зарегистрировано более 190 рецензируемых публика­ций по геномным исследованиям. В настоящее время информационное поле постоянно наполняется новыми базами данных. К ним относятся IMG, база данных Integrated Microbial Genomes и система сравнитель­ного анализа IMG/M, связанная система, которая объединяет наборы метагеномных данных с изолированными микробными геномами из си­стемы IMG; CharProtDB, база данных экспериментально охарактеризо­ванных аннотаций белка и базы данных Genomes OnLine (GOLD) для мониторинга состояния геномных и метагеномных проектов во всем мире и связанных с ними метаданных. В России также ведутся исследо­вания, но главным образом в составе международных групп.

Информационные базы связаны с биомедицинскими технологиями передачи и хранения информации, активно разрабатываются инструменты для сравнительного анализа, которые облегчают выявление общих моде­лей, основных тем и тенденций в сложных наборах данных. К ним относят­ся RAPSearch2, быстрый и эффективный с точки зрения памяти метод по­иска сходства с белком для данных секвенирования следующего поколе­ния; Boulder Alignment Editor (ALE), инструмент для выравнивания РНК; WebMGA — настраиваемый веб-сервер для быстрого анализа метагеном­ной последовательности и DNACLUST, инструмент для точной и эффек­тивной кластеризации филогенетических маркерных генов, разработки новых методов и систем для сбора массивных наборов данных последова­тельности. Ни один алгоритм сборки не разрешает все известные проблемы сборки коротких последовательностей, поэтому программы сборки следу­ющего поколения, такие как AMOS, являются модульными, предлагая ши­рокий набор инструментов для сборки. Разработаны новые алгоритмы для улучшения качества и практической значимости проектов геномов.

Сборка каталога секвенированных эталонных геномов чистых бакте­риальных штаммов производилась из нескольких участков тела, с кото­рыми можно сравнивать метагеномные результаты. Первоначально це­лью было определение 600 геномов. В настоящее время планируется определение 3000 геномов и создание упорядоченного каталога, по край­ней мере в черновом варианте. По состоянию на март 2012 г. было зареги­стрировано 742 генома. Создан Центр анализа данных и координации (DACC), который служит в качестве центрального хранилища для всех данных Проекта. Изучаются юридические и этические вопросы, связан­ные с целыми исследованиями секвенирования генома.

4. Основные концепции и тренды научных и клинических исследований в изучении микробиоты

Основными концептуальными положениями, позволяющими сфор­мулировать тренды научных и клинических исследований (согласно про­екту «Микробиом человека»), следует считать [7]:

5. Заключение

Таким образом, за последние 10 лет достигнут значительный прогресс в понимании микробиоты человека как экосистемы, выполняющей функции отдельного органа в макроорганизме.

Микробиом — это совокупность генов микроорганизмов в организме человека, тогда как микробиота — экосистема с генетическими признака­ми, сформировавшимися в определенное время на определенной геогра­фической территории. Микробиота взаимодействует с остальными органа­ми и системами, определяя функционирование организма в целом как у здорового человека, так и при заболеваниях. Изучением микробиоты зани­маются крупнейшие консорциумы («Микробиом человека» — США, МetaHIT — Европа). Доказана генетическая гетерогенность, или вариатив­ность микробиоты у здорового человека, определяющая устойчивость к не­благоприятным факторам, инфекциям, изучается участие микробиоты ки­шечника как наиболее генетически разнообразной и многочисленной в раннем формировании иммунного ответа как у здоровых людей различного возраста, так и при заболеваниях. Накапливается все больше данных о зна­чении применения пробиотиков и трансплантатов микробиоты в лечении иммуноопосредованных заболеваний и при метаболическом синдроме, за­болеваниях полости рта, синдроме раздраженной толстой кишки и синдро­ме избыточного бактериального роста (СИБР).

Наиболее перспективными для изучения эффективности пробиоти­ков в настоящее время следует считать следующие направления:

«Метагеномика и кишечный микробиом»

Дополнительно см.:

Список литературы

Будьте здоровы!

ССЫЛКИ К РАЗДЕЛУ О ПРЕПАРАТАХ ПРОБИОТИКАХ

Источник